JP2008021554A

JP2008021554A - 電子銃及び電子銃の製造方法

Info

Publication number: JP2008021554A
Application number: JP2006192964A
Authority: JP
Inventors: Natsuo Tatsumi; 夏生辰巳; Akihiko Ueda; 暁彦植田; Yoshiki Nishibayashi; 良樹西林; Takahiro Imai; 貴浩今井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2006-07-13
Publication date: 2008-01-31

Abstract

【課題】水素終端されたダイヤモンドの電子放出能力の低下を抑制できる電子銃と、この電子銃の製造方法とを提供すること。
【解決手段】電子銃２は、水素終端されたダイヤモンドから成る電子放出部４と、電子放出部４の周囲に設けられた電極１０とを備え、電極１０は、この電極１０の表面２４から内側に向かう領域に形成されたゲッター領域２６を有する。そして、電子銃２は、電子放出部４を加熱する加熱器１４を備え、ゲッター領域２６は水素を含有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子銃と電子銃の製造方法とに関する。

下記非特許文献１には、先鋭なダイヤモンドから成る電子放出部を備えた電子銃が開示されている。また、下記非特許文献２には、水素終端されたダイヤモンドから成る電子放出部の良好な電子放出能力が報告されている。
W.P.Kang, et.al.,"Recent development of diamond microtip field emitter cathodes and devices", U.S.A, Journal of Vacuum Science and Technology, American Vacuum Society, May / Jun 2001, B19(3), p.936 L.Diederich, et.al., "Electron affinity and work function of differently oriented and doped diamond surfaces determined by photoelectron spectroscopy", Surface Science, Elsevier Science B.V., 27 November 1998, Vol.418,Issue 1, p.219

非特許文献２に記載されているように、水素終端されたダイヤモンドから成る電子放出部は高い電子放出能力を有する。しかし、電子放出部の周囲雰囲気に、酸素や一酸化炭素等のような化学的に活性な分子が含有されていると、電子放出部の水素終端が劣化し、電子放出能力が低減する。そこで本発明は、水素終端されたダイヤモンドの電子放出能力の低下を抑制できる電子銃と、この電子銃の製造方法とを提供することを目的とする。

本発明は、水素終端された領域を有するダイヤモンドから成る電子放出部と、ゲッター領域を有しており電子放出部の周囲に設けられた電極とを備え、ゲッター領域は、電子放出部の周囲の雰囲気に含まれる活性物質を吸着することを特徴とする。従って、電子放出部の周囲雰囲気に含有される化学的に活性な物質がゲッター領域に吸収されるので、このような活性物質により電子放出部の水素終端に生じる劣化が低減できる。

また、本発明は、水素終端された領域を有するダイヤモンドから成る電子放出部と、活性物質を吸着するゲッター領域を有する電極とをそれぞれ形成する形成工程と、電子放出部の周囲に電極を設ける組立工程とを有し、形成工程は、電極を水素雰囲気中に設置し、ゲッター領域に水素を吸蔵させる工程を含む、ことを特徴とする。従って、電子放出部の周囲雰囲気に含有される化学的に活性な物質がゲッター領域に吸収されるので、このような活性物質により電子放出部の水素終端に生じる劣化が低減できる。更に、ゲッター領域に含有されている水素のうちゲッター領域から電子放出部の周囲雰囲気に脱離する水素は電子放出部の水素終端に吸収される。よって、電子放出部の水素終端に生じる劣化が抑制できる。また、水素がゲッター領域に予め含有されているので、電子放出部の周囲雰囲気に含まれている水素が再びゲッター領域に吸蔵されるのを抑制できる。このため、電子放出部の周囲雰囲気の水素濃度の低減が回避できる。また、水素の比較的多い周囲雰囲気であれば、真空度が比較的低くても電子放出部の寿命低下が回避できる。

更に、電極を加熱する加熱器を更に備えるのが好ましい。従って、加熱器によりゲッター領域が加熱されると、電子放出部の周囲雰囲気に含有される化学的に活性な物質がゲッター領域に吸蔵され易くなる。また、加熱器によりゲッター領域が加熱されると、ゲッター領域から水素が脱離し易くなる。

本発明によれば、水素終端されたダイヤモンドの電子放出能力の低下を抑制できる電子銃と、この電子銃の製造方法とが提供できる。

以下、図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、可能な場合には、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。まず、図１を参照して電子銃２の構成を説明する。図１は、電子銃２の各構成部を説明するための断面図である。電子銃２は、電子放出部４、支持電極６、支持部８、電極１０、支持部１２、加熱器１４及び支持部１６を備える。電子銃２は、上述の電子銃２の各構成部に加え、電子放出部４から放出される電子を加速して所定エネルギーにするための電極や、各種電気配線及び電気回路等を更に備えるが、何れも従来技術のため図示及び説明を省略する。

電子放出部４は、最表面の炭素原子が水素と結合した水素終端の表面領域１８を有するダイヤモンドから成る。電子放出部４は、Ｐ（リン）ドープされたｎ型ダイヤモンド、Ｎ（窒素）ドープされたｎ型ダイヤモンド又はＢ（ホウ素）ドープされたｐ型ダイヤモンド等であるが、ｐｎ接合部やノンドープ層を含んだダイヤモンドであってもよい。電子放出部４は、基端部２０と先鋭な先端部２２とを有しており、先端部２２から電子が放出される。先端部２２の曲率半径は１μｍ以下が好ましい。先端部２２の表面は表面領域１８に含まれる。電子放出部４の基端部２０には支持電極６が接続されており、支持電極６は支持部８に接続されている。支持電極６は、電子放出部４に接続されており、電子放出部４に対し図示しない電圧供給部からの電圧を加える。支持部８は、支持電極６に接続されている。

電極１０は、電子放出部４の周囲に設けられており、電子放出部４の先端部２２から放出される電子を所定方向に収束させるウェーネルトに対応する。電極１０は、電極１０の表面２４から内側に拡がるゲッター領域２６を有しており、特に、電極１０自体がゲッター領域２６となっている。ゲッター領域２６は、例えば、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）又はＨｆ（ハフニウム）等、ゲッター機能の比較的高い材料が用いられている。このゲッター機能は、電子放出部４の周囲雰囲気に含有される酸素や一酸化炭素等の化学的に活性な物質を吸収する機能を意味している。そして、ゲッター領域２６は、Ｈ（水素）を含有している。

支持部１２は、絶縁性の材料から成り、支持電極６及び電極１０に接続されている。加熱器１４は、電極１０を加熱する機器である。この加熱器１４を用いれば、ゲッター領域２６の温度を摂氏４００度程度に維持できる。なお、電子放出部４に対する通電により電子放出部４が発熱するので、この熱を利用すれば加熱器１４を用いずにゲッター領域２６を加熱することも可能である。支持部１６は、加熱器１４に接続されており、加熱器１４は、電極１０に接続されている。

次に、図２を参照して、実施形態に係る電子銃２の製造方法を説明する。まず、水素終端された表面領域１８を有するダイヤモンドから成る電子放出部４と、活性物質の吸着が可能なゲッター領域２６を有する電極１０等の電子銃２の各構成部をそれぞれ形成する（形成工程Ｓ１）。形成工程Ｓ１は、下記の電子放出部形成工程Ｓ２及び電極形成工程Ｓ３を含む。電子放出部形成工程Ｓ２は、電子放出部４の先端部２２を、例えば、ドライエッチング若しくはイオンミリング等の微細加工、レーザカットを用いた加工、研磨等の機械的な加工、又はダイヤモンドの気相成長等を用いて、先鋭にする工程（先鋭な先端部２２を有する電子放出部４を形成する工程）である。また、電極形成工程Ｓ３は、電子放出部形成工程Ｓ２の後、ゲッター領域２６を有する電極１０を形成する工程である。この工程では、電極１０の形成後に電極１０を水素雰囲気中に設置し、電極１０のゲッター領域２６に水素を吸蔵させる。そして、形成工程Ｓ１の後に、電子放出部４の周囲に電極１０を設ける等、形成工程Ｓ１において形成された各構成部を電子銃２に組み立てる（組立工程Ｓ４）。以上の各工程を経て電子銃２が製造される。なお、電子放出部形成工程Ｓ２を、電極形成工程Ｓ３の後に行ってもよい。

以上説明した構成の電子銃２によれば、ゲッター領域２６により、電子放出部４の周囲雰囲気に含有される化学的に活性な物質が吸収される。特に、ゲッター領域２６の温度が摂氏４００度程度の場合に、電子放出部４の周囲雰囲気に含有される酸素や一酸化炭素等の化学的に活性な物質が水素、炭素及び酸素等に乖離してゲッター領域２６に吸蔵され易くなる。よって、このような活性物質により電子放出部４の水素終端に生じる劣化が低減できる。

また、ゲッター領域２６に含有されている水素のうちゲッター領域２６から電子放出部４の周囲雰囲気に脱離する水素は電子放出部４の水素終端に吸収される。よって、電子放出部４の水素終端に生じる劣化が抑制できる。特に、ゲッター領域２６の温度が摂氏４００度程度の場合に、ゲッター領域２６から水素が脱離し易くなる。これにより、電子放出部４の周囲雰囲気の水素濃度を高めることができる。また、水素がゲッター領域２６に予め含有されているので、電子放出部４の周囲雰囲気に含まれている水素が再びゲッター領域２６に吸蔵されるのを防止できる。このため、電子放出部４の周囲雰囲気の水素濃度の低減が回避できる。また、電子銃２は１０^−６[Ｐａ]以下の超高真空中において用いられるが、水素の比較的多い周囲雰囲気であれば、真空度が比較的低くても電子放出部４の寿命低下が回避できる。

＜他の実施形態＞
なお、本発明を適用した実施形態は、図３に示す構成の電子銃２８や、図４に示す構成の電子銃３０であってもよい。図３は、電子銃２８の構成を説明するための断面図であり、図４は、電子銃３０の構成を説明するための断面図である。まず、図３を参照して、電子銃２８の構成を説明する。電子銃２８は、電極３２を除けば電子銃２の構成と同様なので、電極３２を除く電子銃２８の他の構成の説明を省略する。電極３２は、電子放出部４の周囲に設けられており、電子放出部４の先端部２２から放出される電子を所定方向に収束させるウェーネルトに対応する。電極３２は、電極３２の表面３４から内側に拡がるゲッター領域３６と、ゲッター領域３６上に設けられており水素含有率の比較的低い金属領域３８とを有する。ゲッター領域３６は、電子銃２のゲッター領域２６と同様の材料から成り、ゲッター領域２６と同様に水素を含有している。

電子銃２８の製造方法は上述した電子銃２の製造方法と同様であり、電子銃２８の製造方法の記載は、電子銃２の製造方法の記載に対し、電子銃２、ゲッター領域２６及び電極１０の各々を、電子銃２８、ゲッター領域３６及び電極３２の各々に読み替えることにより得られる。特に、電極３２を形成する電極形成工程Ｓ３は、金属領域３８上にゲッター領域３６を設けることにより電極３２の形成が行われる。

上記構成の電子銃２８は、電子銃２と同様の効果を奏する。また、金属領域３８の水素含有率は比較的低いので、ゲッター領域３６に含有されている水素のうち金属領域３８から脱離する水素は少ない。このため、電子放出部４の周囲雰囲気の水素の低減が回避できる。

次に、図４を参照して、電子銃３０の構成を説明する。電子銃３０は、電界放射型の電子銃であり、電子放出部４０、基板４２、絶縁部４４、電極４６、支持部４８、支持電極５０及び電極５２を備える。電子銃３０は、上述の電子銃３０の各構成部に加え、電子放出部４０から放出される電子を加速して所定エネルギーにするための電極や、各種電気配線及び電気回路等を更に備えるが、何れも従来技術のため図示及び説明を省略する。

基板４２の表面５８上には、１ｍｍ^２当たり１０^２個〜１０^６個の電子放出部４０が設けられている。電子放出部４０は、水素終端された表面領域７２を有するダイヤモンドから成り、基端部５４と先鋭な先端部５６とを有する。先端部５６の表面は表面領域７２に含まれる。基端部５４は基板４２に接続され、先端部５６から電子が放出される。複数の電子放出部４０の間には、複数の絶縁部４４が表面５８上に設けられている。すなわち、個々の電子放出部４０の周囲には、複数の絶縁部４４が配置されている。個々の絶縁部４４の表面６０上には、ゲート電極としての電極４６が設けられている。電極４６は、支持電極５０に接続されている。電極４６は、電極４６の表面６２（若しくは側面）から内側に拡がるゲッター領域６４を有しており、特に電極４６自体がゲッター領域６４となっている。ゲッター領域６４は、電子銃２のゲッター領域２６と同様の材料によって成る。また、基板４２の表面６６上には複数の支持部４８が接続されている。更に、ウェーネルトとしての電極５２は、基板４２の表面５８上に設けられた複数の電子放出部４０を囲むように設けられている。電極５２は、電極５２の表面６８から内側に拡がるゲッター領域７０を有する。電極５２は、上述の電子銃２と同様にゲッター領域７０自体に対応していてもよいし、上述の電子銃２８と同様に電極５２の表面６８側にのみゲッター領域７０が形成されていてもよい。また、ゲッター領域７０は、水素が予め吸蔵されている。なお、電子銃２及び電子銃２８と同様に、図示しない加熱器が電極５２に設けられていてもよい。

電子銃３０の製造方法は、上述した電子銃２の製造方法と同様であり、電子銃３０の製造方法の記載は、電子銃２の製造方法の記載に対して、電子銃２、表面領域１８、電子放出部４、ゲッター領域２６、電極１０及び先端部２２の各々を、電子銃３０、表面領域７２、電子放出部４０、ゲッター領域６４（及びゲッター領域７０）、電極４６（及び電極５２）及び先端部５６の各々に読み替えることにより得られる。

上記構成の電子銃３０は、電子銃２と同様の効果を奏する。また、電子銃３０は、個々の電極４６に形成されたゲッター領域６４により、個々の電子放出部４０の周囲雰囲気に含有される化学的に活性な物質を吸収できるので、このような活性物質により電子放出部４０の水素終端に生じる劣化が低減できる。また、電極５２のゲッター領域７０だけでなく、複数の電極４６のゲッター領域６４によっても、電子放出部４０の水素終端に対する水素の供給と、電子放出部４０の周囲雰囲気に含まれる活性物質の吸収とが行える。

以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

実施形態に係る電子銃の構成を説明するための図である。実施形態に係る電子銃の製造方法を説明するためのフローチャートである。他の実施形態に係る電子銃の構成を説明するための図である。他の実施形態に係る電子銃の構成を説明するための図である。

符号の説明

２，２８，３０…電子銃、４，４０…電子放出部、６，５０…支持電極、８，１２，１６，４８…支持部、１０，３２，４６，５２…電極、１４…加熱器、１８，２４，３４，５８，６０，６２，６６，６８，７２…表面、２０，５４…基端部、２２，５６…先端部、２６，３６，６４，７０…ゲッター領域、３８…金属領域、４２…基板、４４…絶縁部。

Claims

水素終端された領域を有するダイヤモンドから成る電子放出部と、
ゲッター領域を有しており前記電子放出部の周囲に設けられた電極と
を備え、
前記ゲッター領域は、前記電子放出部の周囲の雰囲気に含まれる活性物質を吸着する、ことを特徴とする電子銃。
前記電極を加熱する加熱器を更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載の電子銃。
水素終端された領域を有するダイヤモンドから成る電子放出部と、活性物質を吸着するゲッター領域を有する電極とをそれぞれ形成する形成工程と、
前記電子放出部の周囲に前記電極を設ける組立工程と
を有し、
前記形成工程は、前記電極を水素雰囲気中に設置し、前記ゲッター領域に水素を吸蔵させる工程を含む、ことを特徴とする電子銃の製造方法。